SCR对脱硝效率及SO2转化率影响分析

1 SCR 对脱硝效率及对脱硝效率及 SO2转化率影响转化率影响分析分析 王杭州 厦门华夏电力公司 厦门 摘摘 要要 本文通过 300MW 机组脱硝的性能试验 测试 SCR 脱硝效率及 NOX浓度及其分布试 验以及对 SO2转化成 SO3影响进行测试分析 探讨与分析烟气脱硝工程性能试验所采用的 方法 手段及评价依据 为日益增多的烟气脱硝系统提供性能试验的技术借鉴与实践参考 关键词关键词 性能试验 选择性催化还原技术 SCR SO2 NOx 作为燃煤电厂的主要污染物之一 在烟尘与 SO2污染逐步得到控制后 正日益 引起重视 影响 SCR 系统的因素多 烟气条件 环保要求 排烟条件 FGD 装置 空气 预热器 ESP 等设备 投资大 运行成本高 因此 对 SCR 系统进行现场性能分析研究 对于 SCR 系统内流体流动 传质传热 节能降耗具有重要的意义 SCR 系统各种参数 脱 硝效率 NOx 浓度 烟气流量与温度等 之间有着非常紧密的联系 其中的脱硝效率是所 有参数中最关键 最核心的因子 参数之间 注氨格栅以及烟气流体分布的优化与调整 对 SO2的转化率的程度等 对整套 SCR 系统的科学与经济运行有着重要的促进作用 本文 通过 300MW 机组脱硝的性能试验 测试 SCR 脱硝效率及 NOX浓度及其分布试验以及对 SO2 转化成 SO3影响进行测试分析 探讨与分析烟气脱硝工程性能试验所采用的方法 手段及 评价依据 为日益增多的烟气脱硝系统提供性能试验的技术借鉴与实践参考 1 11 1 样品的采集与测试样品的采集与测试 测试方法总体描述为 在每台 SCR 反应器的进出口烟道截面上 采用网格法 进口 28 点 出口 20 点 逐点采集烟气样品 用 NGA2000 多功能分析仪测量烟气中的 NO 与 O2 以此来获得每台反应器的脱硝效率 为了分析烟气通过催化剂后的 SO2 SO3转化率 需要用化学法在省煤器出口和 SCR 反应器出口烟道同时采集烟气样品 以分析 SO2与 SO3 浓度 通过在每台反应器出口 5 点烟气取样 来分析烟气中的氨逃逸浓度 1 1 11 1 1 SCR 设计参数设计参数 每台锅炉配备两台三分仓容克式空气预热器 在省煤器与空预器之间 由上海电气石 川岛电站环保工程有限公司设计安装了两台高灰型SCR烟气脱硝装置 脱硝反应器采用 2 1 的催化剂布置模式 初装两层美国康宁公司提供的蜂窝型催化剂 节距 7 0mm 22 22孔 0 8mm壁厚 每层催化剂上方安装3只半伸缩式蒸汽吹灰器 SCR反应 器入口安装了格栅式喷氨系统 每台反应器设置9只手动调节阀 采用分区调节的方式来控 制喷氨后的NH3 NO分布 表 1 SCR 装置的设计参数 项目单位数据备注 t h1305 烟气流量 Nm3 h 湿基 入口烟 O2 4 干基 2 H2O 8 湿基 SOx L L500 干基 飞灰浓度 g Nm323 气成分 NOxmg Nm3 450 max600 干基 6 O2 NOx 干基 mg Nm3 180 首期 45 远期 脱硝效率 60 首期 90 远期 100 ECR NH3逃逸 L L 3 干基 6 O2 Vol SO2 SO3转化率 1 SCR 性 参数 系统阻力 Pa 1000 喷氨的均匀性是保证良好脱硝效率及减少氨逃逸率的关键 为保证喷氨的均匀性 每 个 SCR 反应器设有 9 3 根伸入烟道的注氨支管 每根支管上有 10 个不锈钢喷头 即 27 根注氨支管与 270 个喷嘴组成了注氨格栅 AIG 见图 1 注氨格栅示意图 均匀地分布在 SCR 进口侧烟道的截面上 另外 在注氨支管上设置了流量调节阀 节流孔以及差压计 用于调整注入氨量的均匀性 图 1 注氨格栅 AIG 示意图 1 1 21 1 2 NOx与与 O2浓度测量浓度测量 在每台 SCR 反应器的进出口烟道截面上 采用网格法 进口 28 点 出口 20 点 逐 点采集烟气样品 用 NGA2000 多功能分析仪测量烟气中的 NO 与 O2 以此来获得每台反 应器的脱硝效率 为了分析烟气通过催化剂后的 SO2 SO3转化率 需要用化学法在省煤器 出口和 SCR 反应器出口烟道同时采集烟气样品 以分析 SO2与 SO3浓度 此外 每个试验 工况都采集了入炉煤和飞灰 空预器出口撞击灰 样品 在每台 SCR 反应器的进口和出口 烟道截面 采用等截面网格法 进口 7 4 出口 5 4 布置烟气取样点 图 2 分析各 采样点烟气中的 NO 与 O2含量 从而获得烟道截面的 NO 与 O2分布 并计算每台反应器 氨管 调节阀 流量计 烟道 喷嘴 3 的脱硝效率 每台 SCR 反应器的进出口均已安装了 NO 和 O2浓度在线分析仪 通过测量 烟道截面的 NO 与 O2浓度分布 可找出在线监测分析仪的显示值与实际 NO 与 O2浓度之 间的关系 以此来连续监测每个试验工况期间的脱硝效率波动 图 2 NO 与 O2浓度的采样点 烟气中的 NO 浓度的测量参考美国 EPA 7E 标准 采用 ROSEMOUNT 公司的 NGA2000 型烟气分析仪逐点测量 首先用不锈钢管将烟气引出至烟道外 然后经过水洗除 尘 除氨器除氨 烟气预处理装置清洁 除湿 冷却 最后接入 NGA2000 型烟气分析仪 进行分析 NOx取样与分析系统见图 3 每个试验工况结束后 根据各取样点的 NO 与 O2 浓度 将 NO 修正到 6 氧量下 加上 5 NO2 可获得各取样点的 NOx浓度 图 3 NO 和 O2的取样分析系统 空预器 省煤器 第一层催化剂 第一层催化剂 备用层 SO2 SO3 NO 及 O2 取样点 注氨 NO O2 取样点 采样泵 1 采样泵 2 过滤器 冷凝器 预过滤器 蠕动泵混合器 取样管 4 1 1 31 1 3 NH3逃逸测量逃逸测量 烟气中气态氨的样品采集执行美国 EPA CTM027 标准 图 4 是样品采集系统的示意图 用硫酸溶液作为氨的吸收液 用离子色谱仪进行浓度分析 采样点位于 SCR 反应器出口水 平烟道 每侧 5 个取样孔 烟气流量计 图 4 烟气中的 NH3取样系统 1 1 41 1 4 SO2 SO3转化率转化率 在脱硝反应器的进出口烟道同时测量 SO2和 SO3浓度 可获得烟气通过 SCR 反应器后 的 SO2 SO3转化率 在每台反应器的入口水平烟道选择两个烟气取样孔 采用图 4 5 所示 系统同时采集 SO2与 SO3样品 在反应器出口水平烟道选取两个烟气取样孔 也采用图 5 所示系统采集 SO3样品 用离子色谱仪分析所采集样品中的硫酸根离子浓度 可折算出烟 气中的 SO2 SO3浓度 SO2 SO3转化率的计算公式如下 1 33 2 2 100 Cso exCso in Kso Cso in 式中 SO2 SO3转化率 2 Kso SCR 反应器出口的 SO3平均浓度 L L 6 O2 exCso 3 SCR 反应器入口的 SO3平均浓度 L L 6 O2 inCso 3 SCR 反应器入口的 SO2平均浓度 L L 6 O2 inCso 2 引风机 过滤器 加热器 300 H2SO4 取样点 5 图 5 SO2 SO3采样系统示意图 1 21 2 结果与讨论结果与讨论 1 2 11 2 1 测试结果测试结果 1 2 1 1 SCR 进出口进出口 NOx浓度测试浓度测试 SCR 装置的脱硝效率试验时的脱硝效率设定值 喷氨量 SCR 反应器进出口的实测 NOx浓度见表 2 SCR 脱硝效率 DCS 设定值为 60 7 63 9 实际脱硝效率约为 70 51 74 64 表 2 锅炉的脱硝效率 项目单位300MW 工况下反应器 SCR 反应器 BA 设定脱硝效率 DCS 60 763 9 喷氨量 DCS Nm3 h113 792 4 入口 NOx 6 O2 DCS mg Nm3412 5438 5 出口 NOx 6 O2 DCS mg Nm3185 5233 1 实测入口 NOx 6 O2 mg Nm3429 4423 7 实测出口 NOx 6 O2 mg Nm3122 7128 8 实际脱硝效率 71 4369 6 平均脱硝效率 70 51 备注 DCS 显示的 NOx 6 O2为 NO 的质量浓度 本表中数据已经转换成 NO2的浓度 1 2 1 2 SCR 进口进口 NOX浓度分布浓度分布 表 3 SCR A 反应器进口 NOX浓度分布 A 反应器进口 NOx mg Nm3 6 O21234567 1395 2398 2406 0412 8428 1448 2496 9 2386 6382 7398 6405 3464 8480 4507 3 3372 9392 3413 9439 4462 9488 7498 6 4304 8344 7429 7424 8450 6460 3492 5 采样加热到 260 石英棉 冷凝管 过滤器 烟气 采样器 干燥器 冰槽 75 吸收瓶 6 最大 507 3 最小 304 8 平均值 428 1 入口分布标准 偏差 11 5 表 4 SCR B 反应器进口 NOX浓度分布 B 反应器进口 NOx mg Nm3 6 O27654321 1477 5463 2472 9449 3448 0464 9450 4 2493 3468 4458 9471 8424 9445 1446 7 3507 1473 3489 4496 5451 5443 1412 4 4511 2509 1474 9445 1471 0451 0449 2 最大 511 2 最小 412 4 平均值 465 0 入口分布标准 偏差 5 3 1 2 1 3 SCR 出口出口 NOX浓度分布 以浓度分布 以 B B 反应器为例 分别测出调整前后偏差值 反应器为例 分别测出调整前后偏差值 表 5 SCR A 反应器出口 NOX浓度分布 调整后 A 反应器出口 NOx mg Nm3 6 O212345 1132 1152 8160 0141 2176 7 2133 5155 0160 9170 9148 4 3127 5145 5148 8143 9142 1 4171 4162 9179 1181 2191 7 最大 191 7 最小 127 5 平均值 156 3 出口分布标准 偏差 11 5 脱硝效率 63 5 表 6 SCR B 反应器出口 NOX浓度分布 调整前 B 反应器出口 NOx mg Nm3 6 O254321 1188 0208 3220 0134 435 1 2196 8240 8247 4125 138 0 3183 5228 3202 0109 644 2 4207 5223 3253 6123 526 5 最大 253 6 最小 26 5 平均值 161 8 7 出口分布标准 偏差 47 4 脱硝效率 65 20 表 7 SCR B 反应器出口 NOX浓度分布 调整后 B 反应器出口 NOx mg Nm3 6 O254321 1135 7142 1172 3138 0115 7 2122 0161 1187 0140 5112 0 3133 0159 7150 2117 8103 0 4165 7148 2181 6129 1125 7 最大 181 6 最小 103 0 平均值 142 0 出口分布标准 偏差 24 39 脱硝效率 69 46 1 2 1 4 NH3逃逸逃逸 烟气中的气态氨逃逸取样在 SCR 反应器的出口水平烟道 每侧烟道选择 5 个取样孔 氨逃逸取样与脱硝效率的测试同时进行 具体测试结果见表 6 选取 2 个工况对应的氨逃 逸分别为 2 66 L L 和 1 62 L L 表 6 氨逃逸测试结果 单位 L L 6 O2 反应器 B反应器 A 测点 1234554321 工况 2 662 521 761 341 411 151 101 111 251 89 平均值 1 62 1 2 1 5 SO2 SO3转化率转化率 SCR 反应器进出口烟气中的 SO2与 SO3测试数据分析结果汇总于表 7 SO2 SO3转化 率约为 0 29 催化剂的设计运行温度为 380 实测省煤器出口烟气温度只有 364 与 348 这不仅降低了催化剂的反应活性 而且抑制了烟气通过催化剂时 SO2向 SO3的转化 表 7 SO2 SO3转化率测试结果 工况反应 器 入口温 度 入口 SO2入口 SO3出口 SO3SO2 SO3转 化率 SO2 SO3平 均值 单位 L L 6 O2 L L 6 O2 L L 6 O2 B3070 471 790 43300MW 工况 A 364 2660 140 540 15 0 290 1 2 21 2 2 讨论讨论 8 综上所述 SCR装置的脱硝效率 氨逃逸及SO2 SO3转化率均达到要求 最终的性能 考核结果汇总于表8 表 8 SCR 性能考核结果 项 目单位性能保证值工况 1 负 荷 MW300301 脱硝效率 6063 35 氨逃逸 6 O2 L L 3 01 62 SO2 SO3转化率 1 00 29 催化反应器内的流动场 温度场和反应物浓度分布越均匀 化学反应的效率越有保障 而 SCR 反应器入口处的流动 温度和反应物浓度的分布的均匀性更是显得尤为重要 因为 入口处的状况将影响 SCR 的整体性能 为了更加清楚的分析SCR反应器的运行特性 参照锅炉性能试验的方法在SCR进出口 的烟道取24个测点测量其局部的烟气流速 氧量 温度 NOx含量等等 按算术平均值 如下式4 4 计算出其截面参数的平均值 1 用表示 所有空间点上Xi的均方差用 表示 X 流动速度 温度和反应物浓度等物理量的不均匀度常用偏差Cv coefficient of variation 来 表述参数在烟道截面的均匀程度 2 3 则有 2 100 v C X s 式中 3 2 1 1 1 n i i XX n s 4 1 1 n i i XX n 高性能指标的SCR系统 主要是指氨的低逃逸率和NOx的高脱除率 要求结构设计能 够保证获得流动场 温度场和反应物浓度场的相应均匀程度 1 2 2 1 脱硝效率脱硝效率 对SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv两个指 标上 从试验结果可看出 其反应器的平均脱硝率为64 35 脱硝效率性能指标满足首期 60 要求 1 2 2 2 出口出口 NOX分布调节分布调节 从SCR出口NOX浓度数据可知 B反应器出口NOx的浓度分布不均匀 如图6 其Cv达 到47 4 超过了30 不能达到国家规定的项目达标要求 为此特调节供应管道上的手 动节流阀以得到比较均匀的出口NOx的浓度分布 每个反应器各有9根供应支管 每根支管 上面有3个喷嘴 共27个喷嘴 这27个喷嘴组成了右半部分和左半部分双层喷射面 在SCR 系统运行初始时的所有氨的喷射支管上的流量孔板都在中间位置 测得此时各管的压差数 9 值 在初始工况 各喷氨支管的手动节流阀都在中间位置 在此工况下 左右墙各支管的 氨流量基本相等 前墙各支管的氨流量也基本相同 即两层喷射格栅的喷氨量基本均匀 在考虑了反应器入口的烟气流速分布之后 我们认为B1 B2处烟气流速过小使得该处的氨 氮比远高于其他位置 造成出口NOx浓度偏差过大的主要原因 因此需要降低该处的喷氨 量 将该处支管的手动节流阀减小 而在此工况下出口NOx的浓度偏差的到明显下降 如 图6 此时NOx的浓度偏差系数Cv降到24 39 达到项目验收标准 1 2 3 4 5 S1 S4 30 20 10 0 10 20 30 40 与均值偏差 mg Nm3 水平横向测点 纵向测点 A反应器出口NOX浓度偏差CV 11 5 系列1 系列2 系列3 系列4 系列1 24 18 3 483 72 15 08 20 42 系列2 22 78 1 284 6214 62 7 88 系列3 28 78 10 78 7 48 12 38 14 18 12345 图5 SCR A反应器出口NOX浓度偏差 1 S1 S2 S3 S4 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 与均值偏差 mg Nm3 水平横 向测点 纵向测 点 B反应器出口NOX浓度偏差CV 47 4 调整前 系列1 系列2 系列3 系列4 系列11 系列21 系列31 系列41 1 10 1 2 3 4 5 S1 S3 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 NOX与均值偏 差 mg Nm3 水平横向测点 纵向测点 B反应器出口NOX浓度偏差CV 24 39 调整后 系列1 系列2 系列3 系列4 系列1 6 30 130 3 4 26 3 系列2 2019 145 1 5 30 系列3 917 78 2 24 2 39 系列423 76 239 6 12 9 16 3 12345 图6 B SCR出口浓度偏差 调整前后 1 2 2 3 NH3逃逸率逃逸率 从试验结果看 试验工况下 氨逃逸 6 O2为 1 62 L L 小于性能保证值 3 L L SCR 反应器内的催化剂按照 2 1 模式布置 初装 2 层 催化剂的性能保证期为 20000 小时 在性能保证到期时的脱硝效率与氨逃逸分别为 60 与 3 L L 催化剂活性的惰化 催化剂 小孔的堵塞 烟气流速及 NH3 NO 分布不均匀等对脱硝性能均有影响 为了弥补这些因素 的影响 国外在初装催化剂时一般会预留 30 50 裕量 因此在性能考核试验时 氨的逃 逸较小 本工程两台锅炉的脱硝装置通烟气时间已经超过一年 这会导致催化剂活性有一定程 度的降低 并增加氨的逃逸 1 2 2 4 SO2转化率转化率 因SCR反应器入口烟气温度远低于设计值 致使SO2 SO3转化率相对较低 从试验结果 来看 SO2 SO3转化率仅为0 29 小于性能保证值1 0 L L SCR脱硝反应发生在含有SO2 的烟气中 SO2会在催化剂的作用下被氧化成SO3 这一反应对于SCR脱硝反应而言是非常 不利的 因为SO3可以和烟气中的水以及NH3反应 从而生成硫酸氨和硫酸氢氨 而这些硫 酸盐 尤其是硫酸氢氨 可以沉积并集聚在催化剂表面 在温度为200 290 的范围内 烟气 中的氨与SO3和H2O反应生成硫酸氢氨 NH4HSO4 NH3 SO3 H2O NH4HSO4 5 为防止这一现象的发生 SCR反应的温度至少要高于300 而从测试SCR入口的烟 温均在300 以上 其转化率较小 速度场 温度场和 NH3 NOx 摩尔比分布的不均匀性 对不同设计脱硝率的影响是 不一样的 当要求脱硝率高的时候 速度场 温度场和 NH3 NOx 摩尔比分布的均匀度要求 也高 一般来讲 仅仅保证在额定运行状态下达到均匀度要求是比较容易做到的 而为了能 11 够使所有的运行状态都能达到最佳的结果 则要困难得多 只有采取一系列综合措施才行 这些措施通常包括氨喷射截面上流动的调整 相连管道中流动的调整以及反应器入口处流 动的调整 当火电厂 SCR 装置投运之后 为保持 SCR 装置高效 经